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夸克
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項
一種參與強相互作用的基本粒子
概述
夸克（quark）是一種參與強相互作用的基本粒子。夸克結合形成一種復合粒子，叫強子。強子中最穩定的是質(zhì)子和中子，它們是構成原子核的單元。由于一種所謂“夸克禁閉”的現象，夸克不能夠直接被觀(guān)測到，或是被分離出來(lái)，只能夠在強子里面找到。因此，我們對夸克的認知大都是間接地來(lái)自對強子的觀(guān)測。
概念提出與名稱(chēng)由來(lái)
概念提出
夸克
名稱(chēng)來(lái)源
夸克
茨威格最早用“埃斯”（Ace）來(lái)稱(chēng)呼這種粒子，但夸克模型被廣泛接納后，蓋爾曼的命名—“夸克”就變得很有名。目前，也有一些中國學(xué)者稱(chēng)夸克為“層子”或“虧子”，但并不普遍。
模型發(fā)展
抽象概念
1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類(lèi)系統，叫“八重道”或SU(3)味對稱(chēng)。同年，以色列物理學(xué)家尤瓦勒·內埃曼（Yuval Ne'eman）也獨立開(kāi)發(fā)出一套與八重道相似的理論。
1964年，物理學(xué)家默里·蓋爾曼 和喬治·茨威格（GeorgeZweig）先后獨立提出了夸克模型。當時(shí)，人類(lèi)已知的各種粒子中包括許多強子。蓋爾曼和茨威格認定，這些強子不是基本粒子，而是由夸克和反夸克組成。在他們的模型中，夸克有上、下及奇三種味，三種味的夸克電荷、自旋等性質(zhì)各異。對于夸克的本質(zhì)，當時(shí)學(xué)界存在很大的爭議。有人認為夸克是物理實(shí)體，而一些人則認為，它只是用來(lái)解釋當時(shí)未明物理的抽象概念而已。
延伸發(fā)展
夸克
1968年，史丹佛線(xiàn)性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實(shí)驗顯示，質(zhì)子含有比自己小得多的點(diǎn)狀物，說(shuō)明質(zhì)子并非基本粒子。當時(shí)SLAC的物理學(xué)家把這些粒子稱(chēng)作做“成子”（parton），后來(lái)被鑒定為上及下夸克。不過(guò)，“成子”一詞到現在還在使用，泛指重子構成物，即夸克、反夸克和膠子的總稱(chēng)。
SLAC的散射實(shí)驗間接證實(shí)了奇夸克的存在，以及默里·蓋爾曼和G.茨威格三夸克模型的合理性，并成功解釋了1947年從宇宙射線(xiàn)中發(fā)現的K和π強子。
1974年，粲夸克被兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)發(fā)現。他們分別是SLAC和布魯克黑文國家實(shí)驗室，其中后者由華裔科學(xué)家丁肇中領(lǐng)導，后來(lái)因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。粲夸克均是在介子里觀(guān)測到的，與一個(gè)反粲夸克束縛在一起。后來(lái)，該粒子被正式命名為J/ψ介子。這個(gè)發(fā)現終于使物理學(xué)界相信夸克模型是正確的。
1975年，以色列物理學(xué)家哈伊姆·哈拉里（HaimHarari）在其論文中，提出了“頂”及“底”夸克的概念，建議把夸克數量增至六個(gè)。
分類(lèi)
夸克的種類(lèi)被稱(chēng)為“味”，已知的夸克有六種，即六味，它們分別是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在對應的夸克符號上加一橫作為標記。反夸克跟對應的夸克有著(zhù)相同的質(zhì)量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。所有夸克中，上及下夸克的質(zhì)量最輕。奇、粲、底、頂等較重的夸克會(huì )通過(guò)粒子衰變，衍變?yōu)樯匣蛳驴淇恕ＡＷ铀プ兪且粋€(gè)從高質(zhì)量態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過(guò)程。作為衰變的產(chǎn)物，上及下夸克通常較穩定，廣泛存在于宇宙中，而奇、粲、底及頂較不穩定，只能通過(guò)宇宙射線(xiàn)及粒子加速器等高能粒子碰撞得到，且衰變速度很快。
夸克
強子中決定量子數的夸克叫“價(jià)夸克”；除了這些夸克，任何強子都可以含有無(wú)限量的虛（或“海”）夸克、反夸克，及不影響其量子數的膠子。
強子分兩種：帶三個(gè)價(jià)夸克的重子，及帶一個(gè)價(jià)夸克和一個(gè)反價(jià)夸克的介子。最常見(jiàn)的重子是質(zhì)子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。也已知道的強子種類(lèi)很多，它們的不同點(diǎn)在于所含的夸克，及這些內含物所賦予的性質(zhì)。而含有更多價(jià)夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實(shí)。
基本費米子被分成三代，每一代由兩個(gè)輕子和兩個(gè)夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代則有頂及底夸克。代數較高的粒子，一般會(huì )有較大的質(zhì)量及較低的穩定性，它們會(huì )通過(guò)弱相互作用，衰變成代數較低的粒子。大自然中，只有第一代夸克（上及下）是常見(jiàn)的。較重的夸克只能通過(guò)高能碰撞來(lái)生成（例如宇宙射線(xiàn)），而且它們很快就會(huì )衰變。不過(guò)，有科學(xué)家認為，大爆炸早期會(huì )存在重夸克，那時(shí)宇宙處于高溫高密度狀態(tài)。目前，重夸克實(shí)驗研究都在粒子加速器等人工環(huán)境下進(jìn)行。
性質(zhì)
電荷
強子(中子和質(zhì)子)-內部結構模型圖
弱相互
β衰變-內部結構模型圖
變味過(guò)程中，每一種夸克都偏向于變成跟自己同一代的另一夸克。這種相對趨勢可由一個(gè)數學(xué)表—卡比博-小林-益川矩陣（CKM矩陣）來(lái)描述。輕子也有一個(gè)類(lèi)似的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣（PMNS矩陣）。這兩個(gè)矩陣合起來(lái)能夠描述所有味變，但兩者間的關(guān)系至今尚不明朗。
強相互作用與色荷
三種色的不同組合決定著(zhù)夸克間的吸引及排斥，即強相互作用，它是由一種叫膠子的規范玻色子所傳遞的。描述強相互作用的理論叫量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）。一個(gè)帶某色荷的夸克，可以和一個(gè)帶對應反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統；三個(gè)（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個(gè)，同樣也可以束縛在一起。兩個(gè)互相吸引的夸克會(huì )達至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個(gè)帶色荷-ξ的反夸克，結合后色荷為零（或“白”色），成為一個(gè)介子。跟基本光學(xué)的顏色疊加一樣，把三個(gè)色荷互不相同的夸克或三個(gè)這樣的反夸克組合在一起，就會(huì )同樣地得到“白”的色荷，成為一個(gè)重子或反重子。
三色夸克-內部結構模型圖
在現代粒子物理學(xué)中，聯(lián)系粒子相互作用的，是一種叫規范對稱(chēng)的空間對稱(chēng)群。色荷SU(3)是夸克色荷的規范對稱(chēng)，也是量子色動(dòng)力學(xué)的定義對稱(chēng)。物理學(xué)定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使坐標軸旋轉到一個(gè)新方向，定律依然不變，量子色動(dòng)力學(xué)的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個(gè)方向分別為藍、紅和綠。SU(3)的色變與色空間的“旋轉”相對應（數學(xué)上，色空間是復數空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類(lèi)fB、fG和fR，對應三種夸克色藍、綠和紅，形成一個(gè)三重態(tài)：一股有三個(gè)分量的量子場(chǎng)，并且在變換時(shí)遵從SU(3)的基本表示。這個(gè)時(shí)候SU(3)應是局部的，這個(gè)要求換句話(huà)說(shuō)，就是容許變換隨空間及時(shí)間而定，所以說(shuō)這個(gè)局部表示決定了強相互作用的性質(zhì)，尤其是有八種載力用膠子這一點(diǎn)。
質(zhì)量
膠子-內部結構模型圖
夸克本身的質(zhì)量被稱(chēng)作“凈夸克質(zhì)量”，凈夸克質(zhì)量加上其周?chē)z子場(chǎng)的質(zhì)量被稱(chēng)作“組夸克質(zhì)量”，這兩個(gè)質(zhì)量數值一般相差甚遠。一個(gè)強子中的大部份的質(zhì)量，都屬于把夸克束縛起來(lái)的膠子，而不是夸克本身。盡管膠子的內在質(zhì)量為零，它們擁有量子色動(dòng)力學(xué)束縛能QCBE，它為強子提供了更多的質(zhì)量。例如，一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量約為938MeV/C2，其中三個(gè)價(jià)夸克大概只有11MeV/c2；其余大部份質(zhì)量都可以歸咎于膠子的QCBE。
希格斯玻色子-內部結構模型圖
性質(zhì)列表
下表總結了六種夸克性質(zhì)。每種夸克味都有自己的味量子數（同位旋（I3）、粲數（C）、奇異數（S）、頂數（T）及底數（B′）），它們代表著(zhù)夸克系統及強子的一些特性。因為重子由三個(gè)夸克組成，所以所有夸克的重子數（B）均為+1/3。對于反夸克，電荷（Q）及其他味量子數（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一個(gè)正負號。質(zhì)量和總角動(dòng)量（J；相等于點(diǎn)粒子的自旋）不會(huì )因為反粒子而變號。
夸克按其特性分為三代，如下表所示：
夸克味的性質(zhì)
夸克味的性質(zhì) | ||||||||||||
名稱(chēng) | 符號 | 質(zhì)量（MeV/c） | J | B | Q | I3 | C | S | T | B | 反粒子 | 符號 |
第一代 | ||||||||||||
上 | u | 1.7 to 3.3 | 1?2 | +1?3 | +2?3 | +1?2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反上 | u |
下 | d | 4.1 to 5.8 | 1?2 | +1?3 | ?1?3 | ?1?2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反下 | d |
第二代 | ||||||||||||
展開(kāi)表格
J=總角動(dòng)量、B=重子數、Q=電荷、I3=同位旋,C=粲數、S=奇異數、T=頂數及B′=底數。*4,190+180-60，這樣的標記代表量測不確定度。
發(fā)現研究
夸克
1994年，“頂夸克”被發(fā)現，它使科學(xué)家得到了有關(guān)夸克子的完整圖像，對宇宙大爆炸之初的宇宙演化研究有重大意義，因為大爆炸最初產(chǎn)生的高熱，會(huì )產(chǎn)生大量頂夸克粒子。
研究顯示，有些恒星在演化末期可能會(huì )變成“夸克星”。當星體抵受不住自身的萬(wàn)有引力不斷收縮時(shí)，密度大增會(huì )把夸克擠出來(lái)，最終一個(gè)太陽(yáng)大小的星體可能會(huì )萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會(huì )發(fā)光。
夸克理論認為，夸克都是被囚禁在粒子內部的，不能單獨存在。一些人則認為夸克并非真實(shí)存在。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實(shí)驗測量符合得很好，因此大部分研究者堅信夸克理論的正確性。
“夸克星”-內部結構模型圖
1997年，俄國物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預測，存在一種由五個(gè)夸克組成的粒子，質(zhì)量比氫原子大50%。2001年，日本物理學(xué)家在SP環(huán)-8加速器上用伽馬射線(xiàn)轟擊塑料時(shí)，發(fā)現了五夸克粒子存在的證據。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實(shí)驗室和莫斯科理論和實(shí)驗物理研究所的物理學(xué)家們的證實(shí)。這種五夸克粒子由2個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克和一個(gè)反奇異夸克組成，它并不違背粒子物理的標準模型。這是首次發(fā)現多于3個(gè)夸克組成的粒子。研究人員認為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中的一員，還有可能存在由4個(gè)或6個(gè)夸克組成的粒子。
發(fā)現過(guò)程
發(fā)現者
默里·蓋爾曼1929年出生于曼哈頓，是個(gè)名副其實(shí)的神童，8歲時(shí)的智力抵得上大部分大學(xué)生。可是，在學(xué)校里他感到無(wú)聊，坐立不安，還患有急性寫(xiě)作障礙。雖然完成論文和研究項目報告對他而言很簡(jiǎn)單，他卻很少能完成。盡管如此，他還是順利地從耶魯大學(xué)本科畢業(yè)，先后在麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)、普林斯頓大學(xué)（為奧本海默）工作。
推斷假設
24歲時(shí)，他決定集中精力研究氣泡室圖像里的奇怪粒子。當時(shí)，通過(guò)氣泡室圖像，科學(xué)家可以估測每個(gè)粒子的大小、電荷、運動(dòng)方向和速度，但是卻無(wú)法確定它們的身份。到1958年，有近100個(gè)名字被用來(lái)鑒別和描述這些探測到的新粒子。
默里·蓋爾曼認為，用幾種自然的基本概念，就可能弄清楚這些粒子。他先假定自然是簡(jiǎn)單、對稱(chēng)的。然后還假定像所有其他自然界中的物質(zhì)和力一樣，這些亞原子粒子是質(zhì)量、能量和電荷守恒的。
用這些理論作指導，他創(chuàng )造了一種新的測量方法，被稱(chēng)作“奇異性（strangeness）”。這個(gè)詞是他從量子物理學(xué)引入的。奇異性可以測量到每個(gè)粒子的量子態(tài)。
建立模型
蓋爾曼發(fā)現自己可以建立起質(zhì)子分裂或者合成的簡(jiǎn)單反應模式。但是有幾個(gè)模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意識到如果質(zhì)子和中子不是固態(tài)物質(zhì)，而是由3個(gè)更小的粒子構成，那么他就可以使所有的碰撞反應都遵循簡(jiǎn)單的守恒定律了。
證明
經(jīng)過(guò)兩年的努力，蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在于質(zhì)子和中子中。他將之命名為“k-works”，后來(lái)縮寫(xiě)為“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·喬伊斯（JamesJoyce）的小說(shuō)中中讀到一句“三聲夸克（threequarks）”，于是將這種新粒子更名為夸克（quark）。與此同時(shí)，加利福尼亞理工學(xué)院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也獨立地提出了這一預言。
夸克
斯坦福直線(xiàn)加速器中心所做的實(shí)驗與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗證原子核式模型的實(shí)驗類(lèi)似。正像盧瑟福由于大量α粒子的大角度散射現象的觀(guān)察，預言原子中有核存在一樣，斯坦福直線(xiàn)加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現象，證實(shí)核子結構中有點(diǎn)狀組分。
事實(shí)上，在斯坦福直線(xiàn)加速器中心—麻省理工學(xué)院所做的實(shí)驗之前，沒(méi)有人能拿出令人信服的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗來(lái)證實(shí)質(zhì)子和中子中有夸克存在，那個(gè)時(shí)期理論學(xué)家對強子理論中夸克所扮演的角色還不清楚。
1962年，斯坦福開(kāi)始建造大的直線(xiàn)加速器，它的能量為10-20GeV，經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)后，能量可達到50GeV。兩年后，斯坦福直線(xiàn)加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個(gè)年輕物理學(xué)家的支持，泰勒就是其中一員，并擔任了一個(gè)實(shí)驗小組的領(lǐng)導。不久弗里德曼和肯德?tīng)?/a>也加入進(jìn)來(lái)，他倆那時(shí)是麻省理工學(xué)院的教師，他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實(shí)驗，這個(gè)加速器是一個(gè)回旋加速器，容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量，可以產(chǎn)生“超強的射線(xiàn)束、高的電流密度和外部射線(xiàn)束。加利福尼亞理工學(xué)院的一個(gè)小組也加入合作，他們的主要工作是比較電子—質(zhì)子散射和正電子—質(zhì)子散射。這樣，來(lái)自斯坦福直線(xiàn)加速器中心、麻省理工學(xué)院和加利福尼亞理工學(xué)院的科學(xué)家組成了一支龐大的研究隊伍。他們決定建造兩個(gè)能譜儀，一個(gè)是8GeV的大接受度能譜儀，另一個(gè)是20GeV的小接受度能譜儀。新設計的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們在水平方向用了直線(xiàn)一點(diǎn)聚焦。這種新設計能夠讓散射角在水平方向散開(kāi)，而動(dòng)量在垂直方向散開(kāi)。
在那時(shí)，物理學(xué)的主流認為質(zhì)子沒(méi)有點(diǎn)狀結構，他們預想大角度散射將會(huì )很少，而實(shí)驗結果出乎意料的大。這是一個(gè)驚人的發(fā)現，人們不知道它意味著(zhù)什么。在這種情況下，斯坦福直線(xiàn)加速器中心的理論家比約肯(J·Biorken)提出了標定無(wú)關(guān)性的思想。在得出標度無(wú)關(guān)性時(shí)，他用了許多并行的方法，其中最具有思辯性的是點(diǎn)狀結構。
1967年末至1968年初，深度非彈性散射的實(shí)驗數據已開(kāi)始積累。當肯德?tīng)柊研碌?a class="dict" href="/know/2760474/">數據分析拿給比約肯看了以后，比約肯建議用標度無(wú)關(guān)變量ω來(lái)分析這些數據。按照舊方法描圖，數據很非常分散，但按比約肯的方法處理數據時(shí)，數據竟很好地集中起來(lái)。1968年8月，第十四屆國際高能物理會(huì )上，弗里德曼報告了實(shí)驗結果。
1968年8月，加利福尼亞理工學(xué)院的R·費因曼訪(fǎng)問(wèn)斯坦福直線(xiàn)加速器中心時(shí)，看到了非彈性散射的數據和比約肯標度無(wú)關(guān)性。他認為部分子在高能相對論核子中是近似自由分布的，也就是說(shuō)結構函數與部分子的動(dòng)量分布是相關(guān)的。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型，也是比約肯觀(guān)點(diǎn)的另一種說(shuō)法。費因曼的工作大大刺激了理論工作，幾種新的理論出現了。費因曼根據夸克的要求，淘汰了一些假設。
一年以后，歐洲核子研究中心重液泡室的中微子非彈性散射，對斯坦福直線(xiàn)加速器中心的實(shí)驗結果給予了有力擴展。后來(lái)的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質(zhì)子—反質(zhì)子碰撞、強子噴注都顯示了夸克—夸克的相互作用。所有這些都有力地證明了強子的夸克結構。
夸克的點(diǎn)狀結構及其在強子中的強約束的矛盾，使得物理學(xué)界接受夸克用了好幾年的時(shí)間。事實(shí)上，夸克理論不能完全唯一地解釋實(shí)驗結果，獲得諾貝爾獎的實(shí)驗表明質(zhì)子中還包含有電中性的結構，那就是此后不久發(fā)現的“膠子”。在質(zhì)子和其它粒子中膠子把夸克膠合在了一起。
1973年，格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鮑里澤爾(H·D·Politzer)獨立地發(fā)現了非阿貝爾規范場(chǎng)的漸近自由理論。這種理論認為，如果夸克之間的相互作用是由色規范膠子引起的，夸克之間的耦合在短距離內呈對數減弱。這個(gè)理論后來(lái)被叫做量子色動(dòng)力學(xué)，很好地解釋了斯坦福直線(xiàn)加速器中心的所有實(shí)驗結果。另外，漸近自由的反面，遠距離耦合強度的增加解釋了夸克禁閉的機制。
總之，斯坦福直線(xiàn)加速器中心的電子非彈性散射實(shí)驗顯示了夸克的點(diǎn)狀行為，成為量子色動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗基礎。
參考資料
[1]
湖南教育出版社 . 夸克物質(zhì)理論導論 : 李家榮 ，1989-9
[2]
歐核中心宣布發(fā)現3種新的奇特粒子結構 · 財聯(lián)社[引用日期2022-07-06]
夸克相關(guān)的文章
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蕈（拼音：xùn）樹(shù)（學(xué)名：Altingia chinensis (Champ. ex Benth.) Oliv. ex Hance）為蕈樹(shù)科（Altingiaceae）蕈樹(shù)屬（Altingia）常綠喬木，別名山鋰枝、阿丁楓等。蕈樹(shù)原產(chǎn)于中國長(cháng)江流域以南的各地，越南也有分布，多生長(cháng)在海拔400-16
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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